胡樹鋒

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

除濕機(jī)在我國(guó)南方地區(qū)應(yīng)用比較普遍，尤其是圖書館、儲(chǔ)藏室和檔案館等對(duì)空氣干燥度有著較高要求的空間環(huán)境，隨著現(xiàn)在人們追求高品質(zhì)生活，選擇除濕機(jī)的用戶越來越多。家用除濕機(jī)具有尺寸小、噪聲低及外形美觀等特點(diǎn)，主要以多翼離心風(fēng)機(jī)為主。對(duì)家用除濕機(jī)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)與工業(yè)用風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)相近，但是因?yàn)槊鎸?duì)的環(huán)境場(chǎng)所不同，以及對(duì)風(fēng)機(jī)效用要求不同，還需要對(duì)家用除濕機(jī)做針對(duì)性設(shè)計(jì)。尤其是對(duì)暴露出來的噪聲大、風(fēng)量小等問題，更是要加強(qiáng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）支持下進(jìn)行綜合分析，建立專業(yè)模型確定存在的各種因素，然后做針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在更大程度上滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

1 家用除濕機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)

家用除濕機(jī)多數(shù)為冷凍除濕型，通過不斷地設(shè)計(jì)調(diào)整，現(xiàn)在逐漸向小型化、低噪聲及外觀造型豐富的方向發(fā)展，而在外觀體型不斷減小的情況下，除濕機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)將要面臨更大的難度，要避免常見的風(fēng)量小、噪聲大等問題存在。目前來看，家用除濕機(jī)的設(shè)計(jì)方法與工業(yè)用除濕機(jī)設(shè)計(jì)相似，但是面對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，需要將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在風(fēng)量滿足的情況下降低運(yùn)行噪聲，并非工業(yè)除濕機(jī)的提高效率要求。除濕機(jī)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)整體上設(shè)計(jì)得比較緊湊，對(duì)于家用常見的多翼離心風(fēng)機(jī)是將換熱器和過濾網(wǎng)安裝到風(fēng)機(jī)進(jìn)口位置。對(duì)除濕機(jī)運(yùn)行噪聲進(jìn)行分析，噪聲大小多是由風(fēng)機(jī)噪聲性能決定，且以氣動(dòng)噪聲為主，分為旋轉(zhuǎn)噪聲與湍流噪聲。其中，對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲發(fā)生原因進(jìn)行分析，主要是因?yàn)楣ぷ鬏啺惭b有均勻分布的葉片，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下會(huì)對(duì)周圍氣體產(chǎn)生擊打作用，出現(xiàn)氣體壓力脈動(dòng)造成的噪聲。基于此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，葉片改為不等間距或者傾斜安裝的方式，在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著。湍流噪聲的產(chǎn)生則是因?yàn)殇鰷u和漩渦分裂脫體導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向在于減小漩渦能量與尺度。

2 冷凍除濕機(jī)運(yùn)行原理

冷凍除濕機(jī)運(yùn)行原理比較簡(jiǎn)單，當(dāng)濕空氣遇到翅片時(shí)，因?yàn)槌崞瑴囟鹊陀诼饵c(diǎn)溫度，會(huì)在翅片表面凝結(jié)成液態(tài)水。大部分冷凍除濕機(jī)作業(yè)的過程可分為2個(gè)環(huán)節(jié)，即制冷系統(tǒng)循環(huán)與空氣冷凝循環(huán)。前者作用是控制蒸發(fā)器翅片的表面溫度要小于待除濕空氣的露點(diǎn)溫度，后者則是保證蒸發(fā)器翅片表面一旦有待除濕空氣流過，便會(huì)通過熱交換來凝結(jié)成液態(tài)水。

（1）制冷系統(tǒng)循環(huán)。除濕機(jī)作業(yè)的首個(gè)環(huán)節(jié)便是壓縮機(jī)運(yùn)行完成吸氣，此時(shí)制冷劑為低溫低壓氣體狀態(tài)，然后壓縮機(jī)繼續(xù)做排氣動(dòng)作，制冷劑由開始的低溫低壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，并且通過管道進(jìn)入冷凝器內(nèi)，與外界的低溫空氣進(jìn)行熱交換，完成整個(gè)等壓降溫的過程。隨著溫度的逐漸降低，制冷劑的狀態(tài)在不斷地發(fā)生變化，逐漸由純氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖汗泊妫購(gòu)睦淠鞯某隹诓课晦D(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的純液態(tài)。從家用除濕機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來看，基本上冷凝器出口直接連接毛細(xì)管，不會(huì)在中間設(shè)置另外的附件，這樣就保證了毛細(xì)管內(nèi)制冷劑壓力基本沿等焓線降低[1]。在最后的環(huán)節(jié)中，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)將會(huì)進(jìn)入到等壓升溫相近的狀態(tài)，制冷劑會(huì)通過管道進(jìn)入到蒸發(fā)器內(nèi)，再與外界較高溫度的空氣2者間產(chǎn)生熱交換。在這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中，利用蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了空氣冷卻、冷凝出液態(tài)水的這一過程，隨著除濕進(jìn)度的進(jìn)展，制冷劑狀態(tài)發(fā)生變化，最終會(huì)在蒸發(fā)器的出口位置轉(zhuǎn)變成純氣態(tài)，并繼續(xù)通過管道進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口再次循環(huán)。

（2）空氣冷凝循環(huán)。在濕空氣流經(jīng)蒸發(fā)器翅片前端時(shí)，濕空氣將會(huì)與翅片產(chǎn)生熱交換量，此時(shí)空氣只會(huì)被冷卻到露點(diǎn)，并不會(huì)在翅片表面形成凝結(jié)水。在濕空氣與蒸發(fā)器熱交換不斷深入的過程中，濕空氣溫度將會(huì)逐漸降到露點(diǎn)溫度以下，此時(shí)蒸發(fā)器翅片便會(huì)有液態(tài)水凝結(jié)出現(xiàn)[2]。其中，在空氣達(dá)到最低溫度后，空氣的低溫低含濕量會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。市場(chǎng)上存在的小型家用除濕機(jī)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上蒸發(fā)器與冷凝器安裝位置相接近，蒸發(fā)器的出口便是冷凝器的入口。對(duì)整個(gè)空氣冷凝循環(huán)進(jìn)行概括，便是溫度與含濕量較低的空氣可以直接進(jìn)入到冷凝器并在內(nèi)部完成熱交換，達(dá)到空氣除濕的根本目的。

3 除濕機(jī)風(fēng)道三維模型建立與仿真分析

3.1 除濕機(jī)風(fēng)道參數(shù)

除濕機(jī)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)風(fēng)道運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，尤其是進(jìn)口位置所安裝的過濾網(wǎng)及換熱器影響明顯。參與本次家用除濕機(jī)風(fēng)道研究的設(shè)備各項(xiàng)性能參數(shù)為轉(zhuǎn)速1 122 rpm、風(fēng)量208 m3/h、功率38.6 W、噪聲52.8dB（A）。

3.2 過濾網(wǎng)與換熱器阻力參數(shù)

風(fēng)機(jī)進(jìn)口位置安裝的過濾網(wǎng)和換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，存在著較多的細(xì)小特征，如果是采用直接建模的方法對(duì)其阻力進(jìn)行模擬分析，會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格量非常大而無法滿足計(jì)算條件[3]。通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)試確定構(gòu)件的阻力特性，在將其輸入到專業(yè)軟件內(nèi)進(jìn)行分析，便可得到相應(yīng)的阻力參數(shù)。本次采用的是通過CFD軟件來對(duì)除濕機(jī)的換熱器物理特性進(jìn)行模擬分析，其中邊界條件設(shè)定的依據(jù)是“多空壓力跳變”，并且可以通過公式來表示其對(duì)應(yīng)的壓力損失

式中：△P為換熱器前后壓力損失，Pa；v為換熱器前氣流速度，m/s；μ為流體介質(zhì)黏度，kg/m·s；ρ為流體介質(zhì)密度，kg/m2；α為換熱器滲透率，%；α-1為換熱器黏性阻力系數(shù)，1/m2；C2為換熱器慣性阻力系數(shù)，1/m。

只需要在軟件內(nèi)對(duì)換熱器慣性阻力系數(shù)、滲透率α及換熱器厚度d這3項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行定義，便能夠確定換熱器的阻力特性。在給定介質(zhì)和換熱器分析匯總，μ、ρ及d均是已知參數(shù)，并且通過實(shí)驗(yàn)可以獲得氣流速度v與前后壓力損失△P，通過曲線擬合可確定換熱器慣性阻力系數(shù)C2及滲透率α[4]。參與研究的除濕機(jī)換熱器在風(fēng)量參數(shù)改變的條件下，其所對(duì)應(yīng)的壓力損失有著明顯差異，并且可以準(zhǔn)確測(cè)試獲得結(jié)果。再利用風(fēng)量參數(shù)和換熱器面積參數(shù)便能夠進(jìn)一步計(jì)算得到等效平均速度，由此便可以確定最終的風(fēng)速數(shù)值。阻力測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過曲線擬合得到阻力參數(shù)：慣性阻力系數(shù)C2為279.3；滲透率α為5.654 8%；厚度為0.054 84 m。

表1 阻力測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 建立數(shù)字模型

離心風(fēng)機(jī)存在著較大的流道曲率，并且因?yàn)榱鲬B(tài)復(fù)雜，最終確定采用納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程進(jìn)行計(jì)算。壓力和速度小也是離心風(fēng)機(jī)所具有的特點(diǎn)，這樣在計(jì)算時(shí)就可以將空氣密度產(chǎn)生的影響忽略掉，不將其作為計(jì)算的必要條件，而是直接假設(shè)流動(dòng)條件不可壓縮流動(dòng)。并且，流動(dòng)中不考慮熱量交換情況，因此無須采用能量方程進(jìn)行計(jì)算。將各向同性假設(shè)應(yīng)用到湍流運(yùn)動(dòng)中，利用分解因式法進(jìn)行計(jì)算，并通過二階迎風(fēng)格式來對(duì)湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)及動(dòng)量方程進(jìn)行離散處理，最后將壓力修正算法（SIMPLE算法）用于壓力-速度耦合計(jì)算[5]。

3.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分需要與流道特征進(jìn)行綜合分析，比較復(fù)雜的情況需要采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格及非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格混合設(shè)計(jì)的方式；風(fēng)扇葉所面向的流域則需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)六面體的方式劃分。除此之外的其他流域則全部對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。

3.5 邊界條件及說明

定義葉輪區(qū)域?qū)?yīng)旋轉(zhuǎn)區(qū)，利用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來表示，那么其他區(qū)域所對(duì)應(yīng)的便是靜止區(qū)，且采用的是靜止坐標(biāo)系。將坐標(biāo)系的原點(diǎn)確定為蝸殼后蓋板中心，并以風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口位置和出風(fēng)口方向分別為坐標(biāo)系Z軸與Y軸。另外，風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣口進(jìn)口截面與蝸殼出口截面均與計(jì)算域流體的進(jìn)出口相互對(duì)應(yīng)，以及確定的進(jìn)出口壓力邊界條件對(duì)應(yīng)壓力參數(shù)，便是大氣壓[6]。以“porous-jump”邊界條件為依據(jù)，模擬過濾網(wǎng)及換熱器的阻力。

3.6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對(duì)模擬數(shù)值的分析可以確定，除濕機(jī)的風(fēng)機(jī)出口存在低速區(qū)域，并且面積比較大，并且與之對(duì)應(yīng)的還存在較大的漩渦。其中，雖然出口漩渦尺寸大，但是卻具有較高的穩(wěn)定性，始終處于風(fēng)機(jī)出口位置。另外，伴隨漩渦尺寸大這一特點(diǎn)而來的是頻率低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，在除濕機(jī)運(yùn)行時(shí)便會(huì)產(chǎn)生明顯的湍流噪聲。另外，還會(huì)造成風(fēng)道內(nèi)阻力增大，影響風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率，產(chǎn)生更多運(yùn)行能耗。

4 除濕機(jī)湍流噪聲理論分析

家用除濕機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的湍流噪聲又可稱為漩渦噪聲，是因?yàn)槿~片中有氣流通過，造成壓力脈動(dòng)產(chǎn)生噪聲。其頻率為

式中：S為氣流流通系數(shù)，取值范圍在0.14～0.20之間，本次取值0.185；W為氣體及葉片的相對(duì)速度，m/s；L為結(jié)構(gòu)正表面寬度與速度平面垂直狀態(tài)下形成的投影，m；i為1、2、3……諧波序號(hào)。

結(jié)合公式進(jìn)行分析可以得知，氣流和葉片的相對(duì)速度與風(fēng)機(jī)湍流噪聲的頻率之間有著密切聯(lián)系，同時(shí)相對(duì)速度的大小又受到了工作輪圓周速度μ的影響。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工作輪上各點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸軸心間距的變化會(huì)帶動(dòng)圓周速度的變化，且由內(nèi)到外圓周速度的數(shù)值大小存在連續(xù)變化的特征，利用此來完成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下所形成的湍流噪聲的判斷，即為寬頻帶連續(xù)譜噪聲。

從Ligthill理論來分析，可確定湍流噪聲功率和氣流速度之間的關(guān)系，可用公式表示

式中：v為氣流速度，m/s；c為聲速，m/s；D為氣流出口直徑，m；n為作用因子。

寬頻帶為風(fēng)機(jī)湍流噪聲所具有的特點(diǎn)，想要通過控制傳播途徑的方式來降低運(yùn)行噪聲顯然是行不通的。在Ligthill理論支持下，如果湍流速度有所減小，則相應(yīng)的湍流噪聲也會(huì)隨之降低，達(dá)到降噪的效果。這樣便可以采用調(diào)整風(fēng)機(jī)蝸殼參數(shù)的方式來對(duì)流場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)效率及降低湍流噪聲。

5 除濕機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)蝸殼出口擴(kuò)張角度大，造成了比較嚴(yán)重的分離情況，因此可以從此方面進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)。并且，離心風(fēng)機(jī)蝸殼流道內(nèi)加壓段同時(shí)存在著多個(gè)區(qū)域?qū)Υ孙L(fēng)機(jī)蝸殼型線與標(biāo)準(zhǔn)蝸殼型線進(jìn)行比較，可確定原型風(fēng)機(jī)蝸殼存在型線設(shè)計(jì)不合理的問題，例如加壓段寬度過大及張開度較小，造成了加壓段氣流分離。為解決湍流噪聲問題，就需要重新設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)蝸殼，并根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)渦舌參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，去除風(fēng)機(jī)出口存在的所有回流區(qū)域，風(fēng)機(jī)內(nèi)部渦流尺寸及速度大小也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，相比開始有顯著降低。基于Ligthill理論，設(shè)計(jì)后的風(fēng)機(jī)湍流噪聲聲功率也進(jìn)一步減小。并且，風(fēng)道內(nèi)氣流可做到均勻分布，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的低速區(qū)域，能夠有效降低風(fēng)道內(nèi)的阻力損失，確保了風(fēng)道的高效率。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的蝸殼進(jìn)行針對(duì)性實(shí)驗(yàn)，包括風(fēng)量和噪聲測(cè)試，結(jié)果見表2、表3。

表2 70品脫優(yōu)化設(shè)計(jì)后除濕機(jī)測(cè)試結(jié)果

表3 35品脫優(yōu)化設(shè)計(jì)后除濕機(jī)測(cè)試結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量參數(shù)相同的條件下，70品脫和35品脫的除濕機(jī)噪聲在原有程度上降低了3.6 dB（A）與3.5 dB（A），觀察后確認(rèn)沒有異常噪聲的現(xiàn)象存在。在風(fēng)量等同的條件下，70品脫和35品脫的除濕機(jī)風(fēng)扇消耗功率均有所降低，分別降低了12%與11%，由此可以說明優(yōu)化設(shè)計(jì)后風(fēng)機(jī)的效率有明顯地提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)研究分析確定，通過增加渦舌處的曲率半徑可以進(jìn)一步降低氣流的撞擊損失，以及通過對(duì)出風(fēng)張角的適當(dāng)調(diào)整，則能夠降低分離回流損失。另外，對(duì)風(fēng)機(jī)入口密封性的優(yōu)化，能夠有效降低漏風(fēng)造成的功耗，除濕機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲降低。并且，風(fēng)機(jī)出口部分的曲線形狀對(duì)出口回流區(qū)的大小有著直接影響，因此在進(jìn)行風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，便可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整擴(kuò)張角度大小，以達(dá)到降低出口分離回流損失的目的。